A condução pode se definida como o processo pelo qual a energia é transferida de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto.

Este mecanismo pode ser visualizado como a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas de uma substância devido a interações entre elas.

O mecanismo da condução pode ser mais facilmente entendido considerando, como exemplo, um gás submetido a uma diferença de temperatura.

1. O gás ocupa o espaço entre 2 superfícies (1) e (2) mantidas a diferentes temperaturas de modo que T1 > T2 (o gás não tem movimento macroscópico);

2. Como altas temperaturas estão associadas com energias moleculares mais elevadas, as moléculas próximas à superfície são mais energéticas (movimentam-se mais rápido)

3. O plano hipotético X é constantemente atravessado por moléculas de cima e de baixo. Entretanto, as moléculas de cima estão associadas com mais energia que as de baixo.

Para os líquidos o processo é basicamente o mesmo, embora as moléculas estejam menos espaçadas e as interações sejam mais fortes e mais frequentes. Para os sólidos existem basicamente dois processos (ambos bastante complexos):

• sólido mau condutor de calor : ondas de vibração da estrutura cristalina • sólido bom condutor de calor: movimento dos elétrons livres e vibração da estrutura cristalina.

A convecção pode ser definida como o processo pelo qual energia é transferida das porções quentes para as porções frias de um fluido através da ação combinada de : condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura.

O mecanismo da convecção pode ser mais facilmente entendido considerando, por exemplo, um circuito impresso (chip) sendo refrigerado (ar ventilado)

1. A velocidade da camada de ar próxima à superfície é muito baixa em razão das forças viscosas (atrito).

2. Nesta região o calor é transferido por condução. Ocorre portanto um armazenamento de energia pelas partículas presentes nesta região.

3. Na medida que estas partículas passam para a região de alta velocidade, elas são carreadas pelo fluxo transferindo calor para as partículas mais frias.

Suponhamos que o ventilador seja retirado. Neste caso, as partículas que estão próximas à superfície continuam recebendo calor por condução e armazenando a energia.

Estas partículas tem sua temperatura elevada e, portanto a densidade reduzida. Já que são mais leves elas sobem trocando calor com as partículas mais frias (e mais pesadas) que descem.

Um exemplo bastante conhecido de convecção natural é o aquecimento de água em uma panela doméstica. Para este caso, o movimento das moléculas de água pode ser observado visualmente

A radiação pode se definida como o processo pelo qual calor é transferido de um superfície em alta temperatura para um superfície em temperatura mais baixa quando tais superfícies estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre elas.

A energia assim transferida é chamada radiação térmica e é feita sob a forma de ondas eletromagnéticas.

O exemplo mais evidente que podemos dar é o próprio calor que recebemos do sol. Neste caso, mesmo havendo vácuo entre a superfície do sol ( cuja temperatura é aproximadamente 5500°C ) e a superfície da terra.

Esta energia chega até nós na forma de ondas eletromagnéticas.

As ondas eletromagnéticas são comuns a muitos outros fenômenos: raio-X, ondas de rádio e TV, microondas e outros tipos de radiações

As emissões de ondas eletromagnéticas podem ser atribuídas a variações das configurações eletrônicas dos constituintes de átomos e moléculas, e ocorrem devido a vários fenômenos, porém, para a transferência de calor interessa apenas as ondas eletromagnéticas resultantes de uma diferença de temperatura ( radiações térmicas ).

As suas características são:

• Todos corpos em temperatura acima do zero absoluto emitem continuamente radiação térmica • As intensidades das emissões dependem somente da temperatura e da natureza da superfície emitente • A radiação térmica viaja na velocidade da luz (300.000 Km/s)

Na maioria das situações práticas ocorrem ao mesmo tempo dois ou mais mecanismos de transferência de calor atuando ao mesmo tempo.

Nos problemas da engenharia, quando um dos mecanismos domina quantitativamente, soluções aproximadas podem ser obtidas desprezando-se todos, exceto o mecanismo dominante.

Entretanto, deve ficar entendido que variações nas condições do problema podem fazer com que um mecanismo desprezado se torne importante.

Como exemplo de um sistema onde ocorrem ao mesmo tempo vários mecanismo de transferência de calor consideremos uma garrafa térmica.

q1 : convecção natural entre o café e a parede do frasco plástico q2 : condução através da parede do frasco plástico q3 : convecção natural do frasco para o ar q4 : convecção natural do ar para a capa plástica q5 : radiação entre as superfícies externa do frasco e interna da capa plástica q6 : condução através da capa plástica q7 : convecção natural da capa plástica para o ar ambiente q8 : radiação entre a superfície externa da capa e as vizinhanças

Melhorias estão associadas com (1) uso de superfícies aluminizadas ( baixa emissividade ) para o frasco e a capa de modo a reduzir a radiação e (2) evacuação do espaço com ar para reduzir a convecção natural.

O conceito de regime de transferência de calor pode ser melhor entendido através de exemplos.

A transferência de calor através da parede de uma estufa qualquer.

Consideremos duas situações : operação normal e desligamento ou religamento.

Durante a operação normal, enquanto a estufa estiver ligada a temperatura na superfície interna da parede não varia.

Se a temperatura ambiente externa não varia significativamente, a temperatura da superfície externa também é constante.

Neste caso, dizemos que estamos no regime permanente.

Sob estas condições a quantidade de calor transferida para fora é constante e o perfil de temperatura ao longo da parede, não varia.

Na outra situação consideremos o desligamento.

Quando a estufa é desligada a temperatura na superfície interna diminui gradativamente, de modo que o perfil de temperatura varia com o tempo.

Como consequência, a quantidade de calor transferida para fora é cada vez menor.

Portanto, a temperatura em cada ponto da parede varia. Neste caso, dizemos que estamos no regime transiente.

Os problemas de fluxo de calor em regime transiente são mais complexos. Entretanto, a maioria dos problemas de transferência de calor são ou podem ser tratados como regime permanente.